Bola型表面活性劑

Bola型表面活性劑是一種新型、功能性表面活性劑。一方面，傳統表面活性劑是由一個疏水鏈和一個親水的極性頭組成，而bola型表面活性劑卻是由兩個親水的極性基團與一條或兩條疏水鏈連線鍵合起來的化合物；另一方面，由於bola型表面活性劑具有兩個親水基的特殊結構，決定了它不僅有傳統表面活性劑所具有的潤濕、乳化、洗滌等基本性能，還具備獨特的表面性能、聚集和自組裝行為以及形成穩定單層類脂膜和囊泡的能力。在生物膜模擬、生物科學、新型材料、信息科學、印染工業等方面具有重要作用。

基本介紹

• 中文名：Bola型表面活性劑
• 外文名：Bolasurfactant
• 發現：20世紀後期
• 名稱來源：南美土著人武器
• 特點：有兩個親水極性基團
• 學科：化學

簡介

表面活性劑具有潤濕、鋪展、起泡、乳化、增溶、分散和洗滌等重要功能,在生命科學、能源科學、信息材料以及許多現代高新技術領域中發揮著重要作用，素有“工業味素”的美稱。表面活性劑分子在溶液中和界面上可以自組裝形成具有超分子結構的分子有序組合體，屬於微觀與巨觀之間的介觀世界，其神奇特性激起了人們極大的研究熱情,逐漸成為物理、化學和生物三大學科共同關注的熱點。

不同於由一個親水頭基和一個疏水尾鏈組成的傳統表面活性劑，bola型表面活性劑是由兩個親水的極性基團用一根或多根疏水鏈連線鍵合起來的化合物，形似南美土著人的一種武器bola(由一根細繩兩端各連線一個小球)而得名。

1951年，Fuoss和Edelson把疏水鏈兩端各連線一個離子基團的分子稱為bola型電解質（bolaform electrolyte，簡寫為“bolyte”或“bolion”）。對於其中疏水鏈較長的bola型化合物，德國的Fuhrhop教授在上世紀80年代首先使用了bola兩親化合物（bola-amphiphile）這一術語來表述。

研究發現，bola型表面活性劑在結構上與一種天然古生物細菌Archaeabacteria的膜脂分子結構相似。由於該類細菌能夠在高溫、高鹽度和強酸等嚴酷環境中生存，因此吸引了眾多科學家的目光。通過分析這類天然生物膜的結構,他們發現其膜脂分子能夠在細胞膜中定向排列,形成單分子囊泡，從而具有獨特的物化性能。

性質特點

除去基本的潤濕、鋪展、起泡、乳化、加溶、分散和洗滌作用，Bola型化合物還有一些特殊的性質。

Bola型化合物在水中通常具有較好的溶解度。同樣鏈長的Bola型表面活性劑由於具有兩個極性頭，親水性更強，因此與疏水基碳原子數相同、親水基也相同的一般表面活性劑相比，Bola型表面活性劑的CMC較高,Krafft點較低，常溫下具有較好的溶解性。但如果按親水基與疏水基碳原子數之比值來看，在比值相同時，Bola型表面活性劑的水溶性仍較差。

與傳統的表面活性劑相比，Bola型表面活性劑溶液的表面張力有以下兩個顯著特點：

第一，降低水表面張力的能力不是很強。這可能是因為Bola型化合物具有兩個親水基，表面吸附分子在溶液表面將採取U型構象，即兩個親水基伸入水中，彎曲的疏水鏈伸向氣相。於是構成溶液表面吸附層的最外層是亞甲基；而亞甲基降低水的表面張力的能力弱於甲基，所以，Bola型化合物降低水的表面張力的能力較差。

第二，Bola型化合物的表面張力-濃度曲線往往出現兩個轉折點。在溶液濃度大於第二轉折點後溶液表面張力保持恆定。此兩個轉折點被稱為第一CMC（或稱CDC， critical dimerconcentration）和第二CMC(或稱CMC)。實驗表明第二CMC以前溶液中幾乎沒有形成有加溶能力的膠束。

Bola型化合物形成的膠束有多種形態。當Bola型化合物形成球形膠束時，Bola分子在膠束中可能採取摺疊構象，也可能採取伸展構象。疏水鏈的長度對構象有較大影響，當分子較長時容易採取摺疊構象，分子較短時通常採取伸展構象。除了球形膠束，有些Bola化合物還可以形成棒狀膠束。

合成方法

目前從自然界中直接提取具有bola型結構的天然膜還存在一定困難，為了得到具有高溫穩定性或其他特殊功能的MLM膜，人們開始有意識地合成bola型表面活性劑。1979年，Kunitake和Okahata第一次得到了由bola型化合物聚集而成的MLM膜，該膜不同於經典的由兩個定向磷脂單分子層以疏水基相結合而形成的雙層BLM膜。自此拉開了人工合成和研究bola型表面活性劑及其套用的序幕。

1、用可提供親水極性頭基的分子和可提供疏水鏈的分子反應

該方法通常用於合成離子型bola表面活性劑。清華大學的張希等以聯苯二酚和11-溴代十一酸為原料合成了陽離子型bola表面活性劑BP-10。首先在11-溴代十一酸中滴加過量的SOCl₂，得到11-溴代十一醯氯,用THF溶解，再加入聯苯二酚和三乙胺的THF混合溶液，過濾鹽和THF等雜質得到11，11′-二溴代十一酸（4，4′-聯苯基）酯固體。最後將固體溶解於吡啶中，通入氮氣保護，高溫回流24h，冷卻後蒸出吡啶，用乙醇-乙醚重結晶，得到離子型bola表面活性劑BP-10。該小組又圍繞這一合成路線進行了關於超分子自組裝和聚合物薄膜的進一步探索，合成了一系列含聯苯或偶氮苯介晶基團的陽離子bola型表面活性劑。

2、用縮氨酸或類糖脂等生物分子通過二聚反應合成bola型表面活性劑

該合成路線多用於非離子bola型表面活性劑的合成。由於反應物通常具有多種異構體，故不僅可以合成極性頭基相同的對稱bola型表面活性劑，還能夠合成極性頭基不同的不對稱bola型表面活性劑。

考慮環境友好和社會經濟可持續發展，近來用各類糖脂等生物分子通過二聚反應合成非離子型bola表面活性劑也越來越引起人們的興趣。它們不僅物理性質優良，而且有生物兼容性，可生物降解，符合綠色化學發展的要求。

3、利用click chemistry合成

Click chemistry，又稱“連結”化學或“點擊”化學，是由Sharpless等最先提出的，其核心是開闢一整套以含雜原子連結單元C— X— C為基礎的組合化學新方法，用少量簡單可靠和高選擇性的化學途徑來獲得更廣泛的分子多樣性。其特點是反應條件簡單，起始原料和反應物容易獲得，不需溶劑或用易除去的溶劑，產物分離簡單，生成物在生理條件下穩定。目前，該法不僅已成功地套用於藥物先導的發現和生物體（如DNA，蛋白質等）的標記，而且在功能材料的製備和物質表面功能化方面也有很廣泛的套用。

套用

Bola 型表面活性劑的特殊結構給它帶來了特殊的性質，它在水溶液中形成的兩親分子，擁有廣泛的用途，例如用於紡織印染、製作微型膠囊、作為模板劑合成介孔材料等。除此之外，還可套用於形成離子通道、相轉移催化、金屬萃取以及合成超分子等。

紡織加工

腈綸纖維是一種以丙烯腈為主體的三元共聚物，由於其具有陰荷性，可以使用陽離子染料染色，但是腈綸纖維是一種熱敏型纖維，上色溫度區窄，上染集中，溫度稍高時，極易出現染色不均勻，對染色造成了極大的障礙，但是陽離子 Bola 型表面活性劑對腈綸纖維具有親和性，可以將其作為一種親纖維型緩染劑使用。

離子通道

通道是囊泡膜中一小片親水的區域，如果用 Bola型表面活性劑製作離子通道，那么它的疏水鏈長度必須要長到可以穿過囊泡的脂質膜，同時兩端的極性頭可以加固這種結構。疏水的一邊將會融進膜結構中，同時兩側的親水頭基則會形成一個充有水的通道，通常這些通道可以在打開後被化學藥劑再度封堵住。

金屬防腐

金屬防腐一向是人們關注的問題，由於酸鹼或其他化學製劑造成的金屬腐蝕常常帶來巨大的經濟損失和安全隱患，Bola 型表面活性劑被證明在抵抗金屬腐蝕方面具有良好的性能。例如氰化鈉會溶解金，而Bola 型表面活性劑可以附著在金的表面，阻止氰根離子與金接觸，避免金被溶解。

凝膠化試劑

凝膠化試劑近年來一直受到人們的關注。Lee等人使用一種糖基的 Bola 型表面活性劑進行實驗，將其混入天然糖基凝膠中，發現形成了一種直徑為10 ～ 20 nm 的原纖，這種混合而成的凝膠形成了一種更複雜的雙層結構，而這種改變並沒有影響其優良的電導性，故其可以作為一種新型的材料套用於電氣方面。

Jung 等人設計了 3 種帶有吡喃糖基、氨化苯基和長鏈烷基的非對稱 Bola 型兩親物，經 TEM 分析，其在凝膠中形成了直徑與外形各異的超分子結構。

前景

Bola 型表面活性劑在 20 世紀後期才被科研人員發現並漸漸為人們所關注，在許多研究領域具有非常優秀的表現，其構建的含有功能性有機發色團的納米結構、構建納米級電導線模板的能力，對於未來納米電子工業發展意義重大。

在生物學方面，非對稱型的Bola 型表面活性劑由於可以與 DNA 進行良好的結合，可以作為一種無病毒的基因載體來取代病毒載體，對於基因研究方面是一大進步。在製藥方面，Bola 型表面活性劑形成的囊泡所具有的結構形似細胞膜，將藥物包裹在囊泡中，可以避免其被細胞吞噬，從而提高藥效或者降低毒性。

但是目前的套用研究方向主要集中於構建納米材料、藥物囊泡以及類似的方向，在表面活性劑的傳統領域，例如起泡、乳化等方面的研究較少，在工業印染中套用較少，故在這些方向上有較大的發展空間；其次，Bola 型表面活性劑雖然在製作藥物囊泡方面表現出了很好的潛力，但是真正的套用卻鮮有提及；另外大部分 Bola 型表面活性劑的合成都存在著收率較低，反應時間較長的問題，這些都有待解決。基於 Bola型表面活性劑特殊的結構以及性能，其套用前景廣闊，尤其是在高新技術領域，必將受到越來越多的關注。